[논문 리뷰] Cavity Quantum Electrodynamics of Multipartite Systems

Moslem Alidoosty Shahraki, Sina Khorasani|arXiv (Cornell University)|2012. 11. 04.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 53인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 임의의 수의 발광체와 공진자 모드를 가진 다중체 시스템에 대해 수치적으로 정확한 캐비티 양자 전기역학의 해를 제시한다. 이는 근사 없이 전체 필드-다이폴 및 다이폴-다이폴 상호작용을 포함하며, 초강력 결합이 혼돈적인 역학과 급격한 상전이를 유도함을 밝혀내며, 약한 및 강력한 결합 영역과는 다릅니다. 또한 고정밀도 고유 코드를 통해 스핀-얽힘 실험을 높은 정밀도로 시뮬레이션할 수 있게 합니다.

ABSTRACT

Cavity quantum electrodynamics of multipartite systems is studied in depth, which consist of an arbitrary number of emitters in interaction with an arbitrary number of cavity modes. The governing model is obtained by taking the full field-dipole and dipole-dipole interactions into account, and is solved in the Schrodinger picture without assumption of any further approximation. An extensive code is developed which is able to accurately solve the system and track its evolution with high precision in time, while maintaining sufficient degrees of arbitrariness in setting up the initial conditions and interacting partitions. Using this code, we have been able to numerically evaluate various parameters such as probabilities, expectation values (of field and atomic operators), as well as the concurrence as the most rigorously defined measure of entanglement of quantum systems. We present and discuss several examples including a seven-partition system consisting of six quantum dots interacting with one cavity mode. We observe for the first time that the behavior of quantum systems under ultrastrong coupling is significantly different than the weakly and strongly coupled systems, marked by onset of a chaos and abrupt phase changes. We also discuss how to implement spin into the theoretical picture and thus successfully simulate a recently reported spin-entanglement experiment.

연구 동기 및 목표

• 임의의 수의 발광체와 공진자 모드를 포함하는 캐비티 양자 전기역학에 대해 완전히 비항법적 프레임워크를 개발하기 위해.
• 근사 없이 전체 필드-다이폴 및 다이폴-다이폴 상호작용을 모델링하여 고정밀도 역학을 보장하기 위해.
• 초강력 결합 영역에서 엔트레일먼트 및 상전이와 같은 복잡한 양자 현상을 시뮬레이션하기 위해.
• 이론적 프레임워크에 스핀 자유도를 통합하여 최근의 스핀-얽힘 실험을 정확하게 모델링할 수 있도록 하기 위해.

제안 방법

• 스chrödinger 그림에서 작동하는 수치적 해법기를 개발하여, 추가 근사 없이 전체 해밀토니안을 해석한다.
• 초기 조건과 상호작용하는 하위계의 분할에 대해 완전한 임의성 유지.
• 고정밀도로 시간 진화를 추적하며, 확률, 필드 및 원자 연산자의 기대값, 그리고 얽힘의 척도로 콘쿠르런스를 계산.
• 발광체와 공진자 모드의 임의의 구성이 가능하여, 예를 들어 여섯 도트와 한 개의 모드로 이루어진 시스템과 같은 복잡한 시스템을 시뮬레이션할 수 있음.
• 스핀 자유도를 모델에 통합하여 스핀-얽힘 실험을 시뮬레이션.
• 콘쿠르런스를 엄밀하게 계산하여 다양한 결합 영역에서의 얽힘을 정량화.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초강력 결합 조건에서 다중체 캐비티 QED 시스템의 역학은 약한 및 강력한 결합 영역과 비교해 어떻게 행동하는가?
• RQ2 초강력 결합 시스템에서 양자 혼돈과 급격한 상전이의 징후는 무엇인가?
• RQ3 항법적 근사 없이도 전체 다이폴-다이폴 및 필드-다이폴 상호작용을 정확히 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ4 최근의 스핀-얽힘 실험을 모델링하기 위해 이론적 프레임워크에 스핀 자유도를 어떻게 일관되게 통합할 수 있는가?
• RQ5 콘쿠르런스로 정량화된 얽힘은 결합 영역 간 전이를 특성화하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 초강력 결합은 혼돈적인 역학과 급격한 상전이를 유도하며, 이는 약한 및 강력한 결합 영역과의 행동과 다릅니다.
• 비틀림 없는 얽힘 진화가 나타나며, 콘쿠르런스는 양자 상관관계의 신뢰할 수 있는 척도로 기능합니다.
• 수치적 코드는 여섯 개의 양자 도트가 한 개의 공진자 모드에 결합된 일곱 부분으로 나뉜 시스템을 고정밀도로 성공적으로 시뮬레이션했습니다.
• 스핀 자유도가 성공적으로 모델에 통합되어 최근 보고된 스핀-얽힘 실험을 정확하게 시뮬레이션할 수 있었습니다.
• 모든 다이폴 상호작용을 포함한 전체 해밀토니안은 근사 없이 정확히 해석되었으며, 이로써 이전에 관측되지 않은 동적 특성을 드러냈습니다.